DE10153324A1 - Eine Quantentopfvorrichtung zur Ermöglichung optischer Verbindungen verwendendes Ultraschallbilddarstellungssystem und -Verfahren - Google Patents

Abstract

Es ist ein Ultraschallbilddarstellungssystem mit einem Ultraschallmesskopf bereitgestellt, der eine Ultraschallwandleranordnung umfasst. Das Bilddarstellungssystem umfasst ferner eine Vielzahl von Verbindungskanälen zur Ermöglichung einer optischen Kommunikation des Ultraschallmesskopfes mit einer Bilddarstellungskonsole. Jeder Verbindungskanal umfasst eine Quantentopfvorrichtung mit einem Anschluss, der elektrisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen. Die Quantentopfvorrichtung ist ferner ausgelegt, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen. Eine optische Kabelbaugruppe ist gekoppelt, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ultraschallsysteme, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Verbindung sowie ein Verfahren zum optischen Koppeln eines Ultraschallmesskopfes und einer Abbildungskonsole bzw. einer Bilddarstellungskonsole unter Verwendung einer Quantentopfvorrichtung (quantum well).

Ultraschallsysteme umfassen typischerweise einen in der Hand gehaltenen Messkopf mit einer Anordnung von Ultraschallwandlerelementen, die während einer Sendebetriebsart ein sich in einem Medium verbreitendes Schwingungssignal sendet und während einer Empfangsbetriebsart ein reflektiertes Signal von innerhalb des Mediums empfängt. Durch Steuerung der Zeitverzögerung und der angelegten Spannungen einer Anordnung derartiger Wandler kann der Fokussierpunkt eines Ultraschallstrahls gesteuert und abgetastet werden. Eine Wandleranordnung kann sowohl als Sendeeinheit als auch als Empfangseinheit verwendet werden. Somit wird ein Bild durch geeignete Steuerung der Strahlerzeugungsparameter erzeugt.

Bei bekannten Ultraschallanordnung- Bilddarstellungssystemen ist jedes Wandlerelement üblicherweise durch ein einzelnes miniaturisiertes Koaxialkabel mit einem einzelnen Analogkanal, auf den ein Analog-zu-Digital-Wandler und eine Verzögerungsschaltung folgt, verbunden. Somit kann beispielsweise ein 128- Kanal-System bis zu 128 Verzögerungsschaltungen plus aller anderen damit verbundenen elektronischen Komponenten verwenden. Bei typischen Abbildungsfrequenzen von 1-20 MHz erfordern Verzögerungsschaltungen eine Zeitsteuerungsgenauigkeit in der Größenordnung von wenigen Nanosekunden. Die Wandleranordnung kann getrennt von der elektronischen Einheit der Konsole eingebaut sein, die die elektrische Steuerung, Signalverarbeitung und Energieaufbereitung bereitstellt. Die Verbindung zwischen der Wandlereinheit und der elektronischen Einheit wird schwierig, wenn die Anzahl der Anordnungselemente ansteigt. Beispielsweise wird es schwierig, die große Anzahl einzelner Koaxialkabel gemeinschaftlich zu manövrieren. Der Schwierigkeitsgrad steigt noch weiter an, wenn die Sensoranordnung zweidimensional (2D) für eine dreidimensionale (3D) oder volumetrische Abtastung wird. Bisweilen können zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Multiplexer, in dem Messkopf installiert sein, um eine Verringerung der Kabelanzahl zu erreichen. Allerdings können die zusätzlichen Komponenten die Kosten des Bilddarstellungssystems erhöhen und die allgemeine Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen.

Bisherige Versuche, optische Fasern zur Übertragung von Ultraschallinformationen zu verwenden, beruhten wahrscheinlich im Allgemeinen auf einem der nachstehenden zwei Verfahren. Bei dem ersten bekannten Verfahren wird das empfangene Echosignal zur Ansteuerung einer optischen Quelle verwendet. Allerdings weisen derartige optische Quellen typischerweise einen relativ niedrigen Wirkungsgrad auf, und folglich haben sie Vorrichtungen mit hohem Energieverbrauch zur Folge. Die in einen Messkopfhandgriff abgeleitete Energiemenge kann sich beispielsweise von selbst verbieten, da sie das Erfordernis einer außerordentlichen Wärmeableitung zur Folge haben kann. Bei dem zweiten bekannten Verfahren wird die Energieableitung in dem Handgriff verringert, indem die optische Quelle in der Konsole untergebracht wird, wobei daraufhin das Signal von dieser optischen Quelle mit Informationen von dem akustischen Echo moduliert wird. Allerdings wird dieses Verfahren ebenso als ungeeignet angesehen, eine praktische Lösung bereitzustellen, da ein derartiges Verfahren ebenso einen relativ hohen Energieverbrauch, einen sehr geringen Dynamikbereich oder beides zur Folge hat. Eine Standard- Mach-Zehnder-Modulatorvorrichtung kann beispielsweise in der Größenordnung von einem Watt verbrauchen.

Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten ist es wünschenswert, Systeme und Verfahren bereitzustellen, die die Komplexität der Verbindung und Verkabelungen in Ultraschallmessköpfen, wie beispielsweise in Mehrfachzeilen- oder zweidimensionalen (2D) Ultraschallwandleranordnungen, verringern können. Es ist ferner wünschenswert, eine verbesserte optische Modulatorvorrichtung bereitzustellen, die einen relativ hohen Dynamikbereich aufweist und die ferner einen relativ geringen Energieverbrauch bei dem Betrieb des Bilddarstellungssystems ermöglicht, um einen Betrieb einer großen Anzahl von Kanälen unter Verwendung einer optischen Faserverbindung durchzuführen.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Allgemein sind gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die vorstehend beschriebenen Erfordernisse erfüllt, indem ein Ultraschallbilddarstellungssystem mit einem Ultraschallmesskopf bereitgestellt ist, der eine Ultraschallwandleranordnung umfasst. Das Bilddarstellungssystem umfasst ferner eine Vielzahl von Verbindungskanälen zur Ermöglichung einer optischen Kommunikation des Ultraschallmesskopfes mit einer Bilddarstellungskonsole. Jeder Verbindungskanal umfasst eine Quantentopfvorrichtung mit einem Anschluss, der elektrisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen. Die Quantentopfvorrichtung ist ferner ausgelegt, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen. Eine optische Kabelbaugruppe ist gekoppelt, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

Die vorliegende Erfindung erfüllt ferner die vorstehend beschriebenen Erfordernisse, indem gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine optische Verbindung für ein Ultraschallbilddarstellungssystem mit einem Ultraschallmesskopf bereitgestellt ist, der eine Ultraschallwandleranordnung umfasst. Die Verbindung umfasst eine Vielzahl von Verbindungskanälen, um eine optische Kommunikation des Ultraschallmesskopfes mit einer Bilddarstellungskonsole zu ermöglichen. Jeder Verbindungskanal umfasst eine Quantentopfvorrichtung mit einem Anschluss, der elektrisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen. Die Quantentopfvorrichtung ist ferner ausgelegt, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen. Eine erste optische Kabelbaugruppe ist gekoppelt, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen. Die erste optische Kabelbaugruppe ist ferner gekoppelt, um das durch die Quantentopfvorrichtung zugeführte modulierte Signal zurück zu der Bilddarstellungskonsole zu übertragen. Eine zweite optische Kabelbaugruppe ist an eine Fototransistorschaltung gekoppelt, die auf ein von der Konsole durch die zweite optische Kabelbaugruppe übertragenes optisches Steuerungssignal reagiert, um ein jeweiliges elektrisches Anregungssignal zu erzeugen, wobei das elektrische Anregungssignal zu einem entsprechenden Wandler übertragen wird, um den Wandler zu veranlassen, eine Schwingungsenergie zu erzeugen, die während einer Sendebetriebsart des Ultraschallsystems durch ein Medium zu verbreiten ist, und wobei ferner das durch die Quantentopfvorrichtung von jedem entsprechenden Wandler empfangene elektrische Signal während einer Empfangsbetriebsart des Ultraschallsystems in Reaktion auf die verbreitete Schwingungsenergie, die von innerhalb des Mediums empfangen wird, erzeugt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung einer vorliegenden Erfindung werden die vorstehend beschriebenen Erfordernisse erfüllt, indem ein Verfahren zum optischen Verbinden eines Ultraschallbilddarstellungssystems mit einem Ultraschallmesskopf bereitgestellt ist, der eine Ultraschallwandleranordnung umfasst. Das Verfahren ermöglicht eine optische Kommunikation des Ultraschallmesskopfes mit einer Bilddarstellungskonsole durch eine Vielzahl von Verbindungskanälen. Das Verfahren ermöglicht ferner eine elektrische Kopplung einer Quantentopfvorrichtung, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen. Ein Kopplungsschritt ermöglicht, die Quantentopfvorrichtung optisch zu koppeln, um ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signal zuzuführen. Eine optische Kabelbaugruppe ist bereitgestellt, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen. Ein Kopplungsschritt ermöglicht, die erste optische Kabelbaugruppe optisch zu koppeln, um das durch die Quantentopfvorrichtung zugeführte modulierte Signal zurück zu der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen

Fig. 1 jeweilige beispielhafte Graphen zur Veranschaulichung spektraler Absorptionseigenschaften einer Quantentopfvorrichtung als Funktion eines über die Vorrichtung angelegten Spannungssignals,

Fig. 2 einen beispielhaften Aufbau einer Quantentopfvorrichtung, wie beispielsweise einer mit einer Halbleiterschaltung integrierten SEED-Vorrichtung (SEED: Self Electro-optic Effect Device bzw. elektro- optische Eigeneffektvorrichtung),

Fig. 3 einen beispielhaften Graphen eines optischen Reflexionsgrads einer SEED-Vorrichtung als Funktion einer an einem zugehörigen Gate-Anschluss angelegten Spannung, wobei eine beispielhafte, an einen zugehörigen Source- Anschluss angelegte Vorspannung von 10 Volt angenommen wird, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ultraschallsystems, das eine beispielhafte optische Verbindung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verwendet.

Vor einer ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist anzumerken, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten des Aufbaus und der Anordnungen der Komponenten begrenzt ist, wie sie in der nachstehenden Beschreibung angegeben sind oder in der Zeichnung veranschaulicht sind. Die Erfindung kann andere Ausführungsbeispiele umfassen und auf verschiedene Weise in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist ebenso ersichtlich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie zum Zwecke der Beschreibung dient und nicht als Einschränkung zu verstehen ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Zum Verständnis einer der Hauptkomponenten der vorliegenden Erfindung ist nachstehend eine kurze Zusammenfassung in Bezug auf verschiedene Ausgestaltungen von Quantentopfvorrichtungen (quantum well device), d. h. von elektro-optischen Halbleitervorrichtung gegeben. Wie es für einen Fachmann ersichtlich ist, umfasst eine Quantentopfvorrichtung im Allgemeinen eine Heteroübergang-Doppelstruktur, die aus einer relativ dünnen (beispielsweise weniger als 50 nm) Schicht eines Halbleiterwerkstoffs hergestellt ist, dessen Bandabstand kleiner als der des umgebenden Werkstoffes ist. Als Beispiel sei eine dünne GaAs-(Galliumarsenid-)Schicht gegeben, die von AlGaAs (Aluminium-Galliumarsenid) umgeben ist. Ein weiteres Beispiel einer elektro- optischen Halbleitervorrichtung ist die elektro-optische Eigeneffekt-Vorrichtung bzw. SEED-Vorrichtung. Die SEED- Vorrichtung verwendet einen Heterostruktur- Multiquantentopf-Halbleiterwerkstoff, der beispielsweise mehrere sich abwechselnde Schichten von Werkstoffen mit relativ engem Bandabstand und breitem Bandabstand umfasst, wie beispielsweise GaAs und AlGaAs.

Ein Quanteneinschluss von Ladungsträgern in den Quantentöpfen führt zu der Bildung deutlicher Spitzen in dem Absorptionsspektrum. Wenn eine Spannung über einer derartigen Quantentopfvorrichtung angelegt ist, arbeitet sie als eine Diode, und die Position der Spitzen verschiebt sich als Ergebnis des Elektro- Absorptionsmechanismus, des sogenannten quantenunterstützten Stark-Effekts (quantum confined Stark effect), wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Der Effekt ist so bemerkenswert, dass beispielsweise eine 5-Volt- Änderung über einem 1 µm dicken Multiquantentopf die Absorption um einen Faktor von zwei ändert. Auf der Grundlage dieses Effekts können optische 2D- Anordnungsmodulatorvorrichtung hergestellt werden. Für eingehendere Informationen sei hier, beispielsweise, auf den Artikel von R. A. Novotny et al. mit dem Titel "Field Effect Transistor-Self Electro-optic Device (FET-SEED) Differential Transimpedance Amplifiers for Two- Dimensional Optical Data Links", Journal of Lightwave Technology, Bd. 13, S. 606, 1995, verwiesen. Eine typische Vorrichtung kann eine Arbeitsspannung von 5 bis 10 V mit einer optischen Übertragungsänderung von 20% bis 50% aufweisen. Die Vorrichtung kann in einer Sende- oder Reflexionsbetriebsart betrieben werden. Die letztere kann erreicht werden, indem ein Spiegel in die Diodenstruktur eingefügt wird, so dass Licht von dem Boden der Vorrichtung reflektiert werden kann. Dieser Vorrichtungstyp arbeitet typischerweise bei Frequenzen in der Größenordnung von mehreren Gigahertz, die im Vergleich mit typischen Diagnose-Ultraschallfrequenzen relativ schnell sind.

Zusätzlich zu ihren großen Änderungen in der optischen Absorption können die SEED-Vorrichtungen derart konfiguriert werden, dass sie mit verschiedenen Typen von Halbleiterschaltungen kombiniert werden, wie beispielsweise Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-) oder Feldeffekttransistor-(FET-)Elektronikelementen, um Hybridstrukturen zu bilden. Hier sei, beispielsweise, auf den Artikel von H. S. Hinton und A. L. Lentine "Multiple Quantum-Well Technology Takes SEED", IEEE, Circuit and Devices, S. 12, 1993, für einen ausführlichen Überblick bezüglich der Entwicklung von Quantentopfvorrichtungen, wie beispielsweise "elektro-optischen Eigeneffekt- Vorrichtungen" (SEED), verwiesen. Es ist ersichtlich, dass einige der anfänglichen Bestrebungen bezüglich SEED- Vorrichtungen sich auf eine Integration der SEED- Vorrichtung mit einer CMOS-Schaltung konzentriert haben, um kleine Bildelementfunktionen für optische 2D- Verbindungseingangs-/Ausgangseinheiten auszuführen. Es ist somit ersichtlich, dass es für den Fachmann allgemein verständliche Verfahren gibt, die beispielsweise ein Verbinden (Bonden) einer SEED-Vorrichtung mit einem CMOS- Substrat sowie eine Integration optischer Eingänge und Ausgänge bei einer standardmäßigen siliziumbasierenden CMOS-Schaltung ermöglichen. Die optischen Eingänge und Ausgänge sind unter Verwendung von Quantentopfdioden bereitgestellt, die entweder als optische Reflexionsmodulatorvorrichtungen oder als Fotodioden arbeiten können.

Verschiedene beispielhafte Zusammenbautätigkeiten oder -schritte, die für eine Integration der SEED- Vorrichtung und der CMOS-Schaltung verwendet werden können, sind in Fig. 2 sequentiell gezeigt. Wie es bei Schritt 50 gezeigt ist, kann eine Anordnung von SEED- Dioden 56 auf einem GaAs-Substrat 57 relativ zu einer Anordnung siliziumbasierender Schaltungen 58 ausgerichtet werden, um in einer regelmäßigen Matrix auf der Oberseite der Anordnung der Schaltungen 58, wo die Modulatorvorrichtungen die vielen dünnen Schichten umfassen, verbunden und elektronisch angeschlossen zu werden. Die Diodenanordnung kann in einer Quantentopf-p- i-n-Dioden-Halbleiterscheibe hergestellt werden, die durch Molekularstrahlepitaxie gewachsen ist, wobei dann, wie es in Schritt 52 gezeigt ist, diese Dioden mit dem Siliziumchip durch Löten verbunden und beispielsweise mit Epoxydharz 60 weiter in Position gehalten werden. Wie es bei Schritt 54 gezeigt ist, wird das gesamte GaAs- Substrat entfernt, und die Dioden werden mit einer Anti- Reflexions-Beschichtung 62 auf der oberen Oberfläche beschichtet. Das Epoxydharz über der Siliziumschaltung wird ebenso entfernt (nicht gezeigt), um einen Zugang zu elektrischen Verbindungsanschlussflächen (Bondpads) zu ermöglichen. Es ist ersichtlich, dass es kommerziell zugängliche Fertigungswerke gibt, die für den Entwurf und die Herstellung von anwenderspezifischen SEED- Vorrichtungen beansprucht werden können, wie beispielsweise die SEED-Fertigung, die bei den Bell Laboratories von Lucent Technologies eingerichtet wurde.

Wie vorstehend beschrieben sind SEED-Vorrichtungen in Hybridform mit siliziumbasierenden CMOS integriert und werden als optische Modulatorvorrichtung verwendet. Wie es beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, kann der Reflexionsgrad einer als Modulatorvorrichtung verwendeten SEED-Vorrichtung von etwa 0,22 zu ungefähr 0,13 verändert werden, wenn die Gate-Source-Spannung von etwa 0 auf etwa 0,4 Volt erhöht wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass dieser Typ einer elektro- optischen Halbleitervorrichtung als eine Verbindung zur Kopplung optischer Signale mit einem Ultraschallwandler verwendet werden kann. Wie es nachstehend ausführlich beschrieben ist, ist ein beispielhafter Ansatz, eine SEED-Modulatorvorrichtung in Verbindung mit einer CMOS- Schaltung zu verwenden, die an den Ultraschallwandler gekoppelt ist. Das durch den Ultraschallwandler erzeugte elektrische Signal kann zur Modulation des optischen Reflexionsgrads der SEED-Vorrichtung verwendet werden. Unter Bezugnahme beispielsweise auf die in Fig. 3 gezeigte eingefügte Schaltung 110 kann dies bedeuten, dass das elektrische Signal von dem Wandler dem Gate- Anschluss der Schaltung zugeführt wird und der Source- Anschluss mit einem geeigneten Vorspannungssignal (bias) verbunden ist, während der Drain-Anschluss mit elektrischer Masse verbunden ist.

Gemäß einem weiteren beispielhaften Ansatz kann der Ultraschallwandler in der Anordnung mit einer in Sperrrichtung betriebenen Fotodiode in Reihe mit einer Quantentopfvorrichtung geschaltet sein. Wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird, wird das elektrische Feld bei dem Quantentopf angelegt, wobei so gut wie kein Strom hindurchfließt. Wenn die Sperrspannung verändert wird, ändert dies das bei den Quantentöpfen angelegte Feld, wobei somit die optische Strahlintensität moduliert wird. Nochmals unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 gezeigte eingefügte Schaltung bedeutet dies, dass das elektrische Signal dem Source-Anschluss der Schaltung zugeführt wird und der Gate-Anschluss mit dem Vorspannungssignal verbunden ist, während der Drain-Anschluss mit elektrischer Masse verbunden ist. Somit ist es ersichtlich, dass in Abhängigkeit von dem spezifischen Entwurf die drei Anschlüsse auf verschiedene Weise elektrisch gekoppelt werden können, um das gleiche Ergebnis, nämlich eine Variation des Reflexionsgrads der SEED-Vorrichtung als Funktion einer Amplitudenveränderung des von dem Ultraschallwandler zugeführten elektrischen Signals, zu erreichen.

Wie es vorstehend beschrieben ist, ist bei einer herkömmlichen Wandleranordnung jedes einzelne Wandlerelement mit der Elektronik der Konsole durch ein Koaxialkabel elektrisch verbunden. Das Kabel überträgt ein Hochspannungsanregungssignal, das das Wandlerelement veranlasst, während einer Sendebetriebsart Schwingungsenergie in ein Medium zu senden. Während einer Empfangsbetriebsart empfängt dann das Kabel ein Niedrigspannungssignal, das den empfangenen Schallwellen entspricht, die durch die Wandlerelemente aufgenommen werden. Obwohl sie einzeln einen kleinen Durchmesser aufweisen, beispielsweise weisen diese Koaxialkabel typischerweise 400 Mikrometer Durchmesser auf, kann die gesamte Verkabelungsgröße zusammengenommen umfangreich werden. Wenn beispielsweise ein Bündel von 500 Kabeln angenommen wird, kann die Gesamtgröße der Verkabelung etwa 1,5 cm oder mehr im Durchmesser aufweisen. Ein Hauptvorteil der vorgeschlagenen Erfindung ist, die Größe und Masse dieses Verbindungskabelbündels zu verringern, indem die elektrischen Koaxialkabel durch eine optische Kabelbaugruppe ersetzt werden.

In Fig. 4 ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallbilddarstellungssystems bzw. Ultraschallabbildungssystems 100 gezeigt, das eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Bilddarstellungssystem 100 umfasst einen Ultraschallmesskopf 102, der eine Wandleranordnung umfasst, wobei zur Vereinfachung der Darstellung lediglich ein Ultraschallwandler 104 gezeigt ist, der auf ein Anregungssignal relativ hoher Spannung reagiert, das den Wandler veranlasst, Schwingungsenergie zu erzeugen. Es ist für einen Fachmann ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen spezifischen Typ der Wandleranordnung begrenzt ist. Beispielsweise kann gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel jede standardmäßige piezoelektrische Wandleranordnung verwendet werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können in jüngerer Zeit eingeführte mikrobearbeitete Kapazitätswandleranordnungen, die auf einer Siliziumhalbleiterscheibe unter Verwendung von MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems bzw. mikro­ elektromechanische Systeme) hergestellt werden können, anstelle der piezoelektrischen Anordnung verwendet werden. Mikrobearbeitete Ultraschall- Kapazitätswandleranordnungen, die für medizinische Bilddarstellungsanwendungen verwendbar sind, sind von Sensant Corporation kommerziell erhältlich. Unabhängig von dem Typ des Wandlers wird die Schwingungsenergie durch ein einer Ultraschallbilddarstellung unterzogenes Medium verbreitet. Beispielsweise kann ein Sende-/Empfangs­ schalter 105 eingestellt werden, um das Anregungssignal während einer Sendebetriebsart des Ultraschallsystems durchzulassen.

Eine Vielzahl von Verbindungskanälen, zur Vereinfachung der Darstellung ist lediglich ein einzelner Kanal 106 gezeigt, ermöglicht eine optische Kommunikation des Ultraschallmesskopfes mit einer Bilddarstellungskonsole 108. Jeder Verbindungskanal umfasst eine Quantentopfvorrichtung 110, wie beispielsweise eine SEED-Vorrichtung, die optisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler, beispielsweise dem Wandler 104, zu empfangen. Es ist ersichtlich, dass das durch die Quantentopfvorrichtung 110 empfangene elektrische Signal während einer Empfangsbetriebsart des Ultraschallsystems in Reaktion auf die Schwingungsenergie erzeugt wird, die von dem einer Abbildung unterzogenen Medium empfangen wird. Die Schwingungsenergie kann eine Schwingungsenergie umfassen, die von innerhalb des der Abbildung unterzogenen Mediums reflektiert wird oder die durch das Medium gegangen ist. Wie es in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist, kann die Quantentopfvorrichtung 110 eine Drei-Anschluss-Vorrichtung umfassen, die einen ersten Anschluss, beispielsweise einen Gate-Anschluss 112, einen zweiten Anschluss beispielsweise einen Source-Anschluss 114, der zum Empfang eines Vorspannungssignals gekoppelt ist, und einen dritten Anschluss, beispielsweise einen Drain-Anschluss 116, der mit elektrischer Masse gekoppelt ist, aufweist. In dem in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Gate-Anschluss 112 zum Empfang des elektrischen Signals von dem Wandler 104 gekoppelt. Wie es jedoch in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben ist, können andere Verbindungsanordnungen für die jeweiligen drei Anschlüsse verwendet werden.

Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist eine Verstärkerschaltung 118 gekoppelt, um eine gewünschten Verstärkungsstufe für das elektrische Signal von jedem entsprechenden Wandler bereitzustellen, bevor dieses elektrische Signal der SEED-Vorrichtung zugeführt wird. Wie es vorstehend beschrieben ist, kann die jeweilige Verstärkerschaltung 118 entweder eine diskrete Schaltung umfassen oder eine gemeinsam mit der SEED- Vorrichtung integrierte Verstärkerschaltung umfassen, wie es durch einen gestrichelten Kasten 120 dargestellt ist. Beispiele für die mit der SEED-Vorrichtung integrierten Verstärkerschaltung umfassen eine Komplementär- Metalloxidhalbleiter- und eine Feldeffekttransistorschaltung.

Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Quantentopfvorrichtung 110 ferner ausgelegt, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes Ausgangssignal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals von dem Wandler 104 zuzuführen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ist eine erste optische Kabelbaugruppe 122 zur Übertragung des durch die Quantentopfvorrichtung empfangenen optischen Signals von der Bilddarstellungskonsole gekoppelt. Die Kabelbaugruppe 122 ist ferner gekoppelt, um das durch die Quantentopfvorrichtung zugeführte modulierte Signal zurück zu der Bilddarstellungskonsole zu übertragen. Ein geeignetes optisches Quellen- und Erfassungsmodul 126 in der Konsole 108 wird zur Erzeugung des optischen Eingangssignalstrahls und zur Verarbeitung des durch die Quantentopfvorrichtung über die optische Kabelbaugruppe 122 zugeführten modulierten Signals verwendet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine zweite Kabelbaugruppe 124 an eine Fototransistorschaltung 128 gekoppelt, um ein optisches Steuerungssignal zur Steuerung der Ausgabe des Hochspannungsanregungssignals zu übertragen. Gemäß einer beispielhaften Anwendung kann ein elektrisches Kabel 130 weiterhin dazu verwendet werden, das zur Anregung der einzelnen Wandlerelemente verwendete Hochspannungsanregungssignal zu tragen.

Wie es für einen Fachmann ersichtlich ist, ist der Empfang des reflektierten oder Echosignals im Allgemeinen anspruchsvoll, da eine relativ hohe Linearität der einzelnen Elemente/Kanäle wünschenswert ist, um eine Strahlerzeugung hoher Qualität zu ermöglichen. Da das Medium die Schwingungsenergie als eine Funktion der zurückgelegten Entfernung dämpfen kann, kann das Echosignal in seiner Amplitude von etwa 100 mV bis etwa 1 MikroV für nahe bzw. entfernte Ziele reichen. Somit ist ein augenblicklicher Dynamikbereich von mehr als 40 dB wünschenswert. Da diese Echosignale bewahrt werden sollten, bis die Zeitverzögerungen in der Konsole angewendet werden können, ist es für die elektro-optische Umwandlung wünschenswert, dass sie im Wesentlichen genau und wiederholbar ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass die monolithischen Herstellungsverfahren der SEED-Technologie sich zur Erfüllung dieser Art von Erfordernissen eignen.

In dem Fall, dass ein derartiger Dynamikbereich von 40 dB nicht direkt von der SEED-Vorrichtung und der verknüpften Erfassungsschaltung erreichbar ist, ist es ersichtlich, dass digitale Signalverarbeitungsverfahren zur Digitalisierung der Informationen verwendet werden können. Hier sei beispielsweise auf das US-Patent Nr. 5 203 335, das dem Erwerber der Rechte an der vorliegenden Erfindung übertragen ist, als Hintergrundinformation in Bezug auf ein Beispiel für derartige digitale Verarbeitungsverfahren verwiesen. In dem genannten Patent mit dem Titel "Phased Array Ultrasonic Beam Forming Using Oversampled A/D Converters" wird ein Hochfrequenz-Delta-Sigma-Wandler zur Digitalisierung des Echosignals von jedem Wandlerelement verwendet. Es wird ferner davon ausgegangen, dass die vorliegende Erfindung ein Erreichen der erforderlichen digitalen Bandbreite ermöglicht. Eine 10-Bit-Abtastung bei 40 MHz entspricht beispielsweise ungefähr einer Digitalrate von 400 MHz. Dieses Erfordernis liegt gut innerhalb der Möglichkeiten der Bandbreite von mehreren GHz, die im Allgemeinen durch die SEED-Vorrichtung ermöglicht wird.

Es ist ersichtlich, dass verschiedene Konstruktionsanordnungen für die SEED-Vorrichtung verwendet werden können. In einer beispielhaften Anordnung kann die SEED-Erfassungsvorrichtung beispielsweise direkt auf der Rückseite der Wandleranordnung angebracht sein. In einer anderen beispielhaften Anordnung kann es wünschenswert sein, eingekapselte "Chips" auf einer flexiblen Schaltungsplatine anzubringen, die herkömmlicherweise für die linearen Wandleranordnungen verwendet wird. In diesem Fall können die optischen Faserkabel dann direkt mit der SEED-Vorrichtung gekoppelt werden.

Es ist ersichtlich, dass das hier gezeigte und beschriebene spezifische Ausführungsbeispiel der Erfindung lediglich ein Beispiel darstellt. Verschiedene Variationen, Änderungen, Austauschmöglichkeiten und Äquivalente sind einem Fachmann ersichtlich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Folglich soll der gesamte hier beschriebene und in der beigefügten Zeichnung gezeigte Gegenstand lediglich als Veranschaulichung betrachtet werden und nicht als Einschränkung zu verstehen sein, und der Bereich der Erfindung soll lediglich durch die beigefügten Patentansprüche bestimmt sein.

Wie es vorstehend beschrieben ist, ist ein Ultraschallbilddarstellungssystem mit einem Ultraschallmesskopf bereitgestellt, der eine Ultraschallwandleranordnung umfasst. Das Bilddarstellungssystem umfasst ferner eine Vielzahl von Verbindungskanälen zur Ermöglichung einer optischen Kommunikation des Ultraschallmesskopfes mit einer Bilddarstellungskonsole. Jeder Verbindungskanal umfasst eine Quantentopfvorrichtung mit einem Anschluss, der elektrisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen. Die Quantentopfvorrichtung ist ferner ausgelegt, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen. Eine optische Kabelbaugruppe ist gekoppelt, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

Claims (25)

1. Ultraschallbilddarstellungssystem mit
einem Ultraschallmesskopf, der eine Anordnung von Ultraschallwandlern umfasst,
einer Vielzahl von Verbindungskanälen zur Ermöglichung einer optischen Kommunikation des Ultraschallmesskopfs mit einer Bilddarstellungskonsole, wobei jeder Verbindungskanal
eine Quantentopfvorrichtung mit einem Anschluss umfasst, der elektrisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen, wobei die Quantentopfvorrichtung ausgelegt ist, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen, und
einer optische Kabelbaugruppe, die gekoppelt ist, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

2. Ultraschallsystem nach Anspruch 1, wobei die optische Kabelbaugruppe gekoppelt ist, um das durch die Quantentopfvorrichtung zugeführte modulierte Signal zurück zu der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

3. Ultraschallsystem nach Anspruch 1, wobei die Anordnung der Ultraschallwandler eine Anordnung piezoelektrischer Wandler umfasst.

4. Ultraschallsystem nach Anspruch 1, wobei die Anordnung der Ultraschallwandler eine Anordnung mikrobearbeiteter Kapazitätswandler umfasst.

5. Ultraschallsystem nach Anspruch 1, wobei die Quantentopfvorrichtung eine elektro-optische Eigeneffektvorrichtung (SEED) umfasst.

6. Ultraschallsystem nach Anspruch 5, mit einer jeweiligen Verstärkerschaltung, die gekoppelt ist, um eine gewünschte Verstärkungsstufe für das elektrische Signal von jedem entsprechenden Wandler bereitzustellen.

7. Ultraschallsystem nach Anspruch 6, wobei die jeweilige Verstärkerschaltung eine Schaltung umfasst, die aus einer einen Komplementär-Metalloxidhalbleiter- und einen Feldeffekt-Transistor umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

8. Ultraschallsystem nach Anspruch 6, wobei die Verstärkerschaltung und die SEED-Vorrichtung eine integrierte Schaltung umfassen.

9. Ultraschallsystem nach Anspruch 6, wobei der Anschluss einen ersten Anschluss umfasst und die SEED-Vorrichtung zweite und dritte Anschlüsse umfasst, wobei einer der zweiten und dritten Anschlüsse angeschlossen ist, um ein Vorspannungssignal zu empfangen, und der andere der zweiten und dritten Anschlüsse an eine elektrische Masse angeschlossen ist.

10. Ultraschallsystem nach Anspruch 9, wobei der erste Anschluss einem Gate-Anschluss entspricht, der zweite Anschluss einem Source-Anschluss entspricht sowie mit dem Vorspannungssignal verbunden ist und der dritte Anschluss einem Drain-Anschluss entspricht sowie mit der elektrischen Masse verbunden ist.

11. Ultraschallsystem nach Anspruch 9, wobei der erste Anschluss einem Source-Anschluss entspricht, der zweite Anschluss einem Gate-Anschluss entspricht sowie mit dem Vorspannungssignal verbunden ist und der dritte Anschluss einem Drain-Anschluss entspricht sowie mit der elektrischen Masse verbunden ist.

12. Ultraschallsystem nach Anspruch 1, wobei die optische Kabelbaugruppe eine erste optische Kabelbaugruppe umfasst, wobei es ferner eine zweite optische Kabelbaugruppe umfasst, die an eine Fototransistorschaltung gekoppelt ist, die auf ein über die zweite optische Kabelbaugruppe übertragenes optisches Steuerungssignal reagiert, um ein elektrisches Anregungssignal zu erzeugen.

13. Ultraschallsystem nach Anspruch 12, wobei das elektrische Anregungssignal zu einem entsprechenden Wandler übertragen wird, um den Wandler zu veranlassen, eine Schwingungsenergie zu erzeugen, die während einer Sendebetriebsart des Ultraschallsystems durch ein Medium verbreitet wird.

14. Ultraschallsystem nach Anspruch 13, wobei das durch die Quantentopfvorrichtung von jedem entsprechenden Wandler empfangene elektrische Signal während einer Empfangsbetriebsart des Ultraschallsystems in Reaktion auf eine von innerhalb des Mediums empfangene Schwingungsenergie erzeugt wird.

15. Optische Verbindung für ein Ultraschallbilddarstellungssystem mit einem Ultraschallmesskopf, der eine Anordnung von Ultraschallwandlern umfasst, wobei die optische Verbindung umfasst:
eine Vielzahl von Verbindungskanälen zur Ermöglichung einer optischen Kommunikation des Ultraschallmesskopfs mit einer Bilddarstellungskonsole, wobei jeder Verbindungskanal,
eine Quantentopfvorrichtung mit einem Anschluss umfasst, der elektrisch gekoppelt ist, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen, wobei die Quantentopfvorrichtung ausgelegt ist, ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen, und
eine optische Kabelbaugruppe, die gekoppelt ist, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen, wobei die optische Kabelbaugruppe ferner gekoppelt ist, um das durch die Quantentopfvorrichtung zugeführte modulierte Signal zurück zu der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

16. Optische Verbindung nach Anspruch 15, wobei die Quantentopfvorrichtung eine elektro-optische Eigeneffektvorrichtung (SEED) umfasst.

17. Optische Verbindung nach Anspruch 15, wobei die optische Kabelbaugruppe eine erste optische Kabelbaugruppe umfasst, wobei sie ferner eine zweite optische Kabelbaugruppe umfasst, die an eine Fototransistorschaltung gekoppelt ist, die auf ein von der Konsole über die zweite optische Kabelbaugruppe übertragenes optisches Steuerungssignal reagiert, um ein jeweiliges elektrisches Anregungssignal zu erzeugen, wobei das elektrische Anregungssignal zu einem entsprechenden Wandler übertragen wird, um den Wandler zu veranlassen, eine Schwingungsenergie zu erzeugen, die während einer Sendebetriebsart des Ultraschallsystems durch ein Medium verbreitet wird, und wobei ferner das durch die Quantentopfvorrichtung von jedem entsprechenden Wandler empfangene elektrische Signal während einer Empfangsbetriebsart des Ultraschallsystems in Reaktion auf eine von innerhalb des Mediums empfangene Schwingungsenergie erzeugt wird.

18. Optische Verbindung nach Anspruch 16, mit einer jeweiligen Verstärkerschaltung, die gekoppelt ist, um eine gewünschte Verstärkungsstufe für das elektrische Signal von jedem entsprechenden Wandler bereitzustellen.

19. Optische Verbindung nach Anspruch 18, wobei die jeweilige Verstärkerschaltung eine Schaltung umfasst, die aus einer einen Komplementär-Metalloxidhalbleiter- und einen Feldeffekt-Transistor umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

20. Optische Verbindung nach Anspruch 18, wobei die Verstärkerschaltung und die SEED-Vorrichtung eine integrierte Schaltung umfassen.

21. Optische Verbindung nach Anspruch 18, wobei der Anschluss einen ersten Anschluss umfasst und die SEED- Vorrichtung zweite und dritte Anschlüsse umfasst, wobei einer der zweiten und dritten Anschlüsse angeschlossen ist, um ein Vorspannungssignal zu empfangen, und der andere der zweiten und dritten Anschlüsse an eine elektrische Masse angeschlossen ist.

22. Optische Verbindung nach Anspruch 21, wobei der erste Anschluss einem Gate-Anschluss entspricht, der zweite Anschluss einem Source-Anschluss entspricht sowie mit dem Vorspannungssignal verbunden ist und der dritte Anschluss einem Drain-Anschluss entspricht sowie mit der elektrischen Masse verbunden ist.

23. Optische Verbindung nach Anspruch 21, wobei der erste Anschluss einem Source-Anschluss entspricht, der zweite Anschluss einem Gate-Anschluss entspricht sowie mit dem Vorspannungssignal verbunden ist und der dritte Anschluss einem Drain-Anschluss entspricht sowie mit der elektrischen Masse verbunden ist.

24. Verfahren zum optischen Verbinden eines Ultraschallbilddarstellungssystems mit einem Ultraschallmesskopf, der eine Anordnung von Ultraschallwandlern umfasst, mit den Schritten
Ermöglichen einer optischen Kommunikation des Ultraschallmesskopfs mit einer Bilddarstellungskonsole durch eine Vielzahl von Verbindungskanälen, wobei für jeden Verbindungskanal die optische Kommunikation ermöglicht wird durch
ein elektrisches Koppeln einer Quantentopfvorrichtung, um ein elektrisches Signal von einem entsprechenden Wandler zu empfangen,
ein optisches Koppeln der Quantentopfvorrichtung, um ein optisches Eingangssignal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein moduliertes optisches Signal in Reaktion auf eine Amplitudenveränderung des elektrischen Signals zuzuführen,
ein Bereitstellen einer optischen Kabelbaugruppe, um das durch die Quantentopfvorrichtung empfangene optische Eingangssignal von der Bilddarstellungskonsole zu übertragen, und
ein optisches Koppeln der optischen Kabelbaugruppe, um das durch die Quantentopfvorrichtung zugeführte modulierte Signal zurück zu der Bilddarstellungskonsole zu übertragen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die optische Kabelbaugruppe eine erste optische Kabelbaugruppe umfasst, wobei es ferner ein optisches Koppeln einer zweiten optischen Kabelbaugruppe an eine Fototransistorschaltung umfasst, die auf ein von der Konsole über die zweite optische Kabelbaugruppe übertragenes optisches Steuerungssignal reagiert, um ein jeweiliges elektrisches Anregungssignal zu erzeugen, wobei das elektrische Anregungssignal zu einem entsprechenden Wandler übertragen wird, um den Wandler zu veranlassen, eine Schwingungsenergie zu erzeugen, die während einer Sendebetriebsart des Ultraschallsystems durch ein Medium verbreitet wird, und wobei ferner das durch die Quantentopfvorrichtung von jedem entsprechenden Wandler empfangene elektrische Signal während einer Empfangsbetriebsart des Ultraschallsystems in Reaktion auf eine von innerhalb des Mediums empfangene verbreitete Schwingungsenergie erzeugt wird.